畢業(yè)論文（設計）基于單片機的智能充電器

1、<p><b>　　長江學院</b></p><p><b>　　畢業(yè)論文（設計）</b></p><p>　　題目 基于單片機的智能充電器</p><p>　　院 （系） 機械與電子工程系 </p><p>　　專 業(yè) 自動化

2、 </p><p>　　學生姓名 </p><p>　　成 績 </p><p>　　指導教師 老師 </p><p><b>　　2015年06月</b></p>

3、;<p><b>　　摘要</b></p><p>　　便攜式應用的發(fā)展與普及提高了對充電電池性能的要求，而鋰離子電池憑借其獨特的有點，如能量密度高、使用壽命長、放電電壓高和無記憶效應等，成為了便攜式電子產品的首選電池。然而，鋰離子電池相對脆弱的特性，如過充電和高溫可能對電池造成極大的破壞，對其充電電路提出了嚴格的要求，作為便攜式產品的充電器，高集成度，高效率和準確的控制都是

4、必須的特點。</p><p>　　針對鋰離子電池的充電管理問題，本文采取了一種基于單片機控制的智能充電方法，通過單片機與充電管理IC的配合，設計并實現了鋰離子電池充電保護電路，從而達到了提高充電效率，延長電池壽命和節(jié)能的效果。</p><p>　　關鍵詞：鋰離子電池；智能充電器；單片機；節(jié)能</p><p><b>　　Abstract</b>

5、</p><p>　　The development and prevalence of portable applications require better performance of rechargeable batteries, while the Li-Ion battery becomes the best choice of portable electronic products becaus

6、e of its unique advantages, such as high energy density, long circle life, high voltage and absence of memory effects. However, the comparative fragility of Li-Ion battery, for example, to overcharging and high temperatu

7、re, imposes stringent charge requirements on chargers. As portable applications, th</p><p>　　In order to manage the charge process of Li-Ion battery, the design and implementation of a Li-Ion battery charge

8、protection integrated circuit based on intelligent control approach was presented by MCU assort with charge management IC. So as to achieve improved charging efficiency and prolong battery life and energy-saving effect.&

9、lt;/p><p>　　Keywords：Li-Ion；Intelligent charger；MCU；Energy-saving</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1單片機技術的特點及應用2</p>

10、<p>　　1.1.1單片機的特點2</p><p>　　1.1.2單片機的應用3</p><p>　　1.2飛思卡爾MC9S12XS128單片機簡介5</p><p>　　1.3實現智能充電的意義6</p><p>　　第二章 充電方案選擇7</p><p>　　2.1恒流充電(CC

11、)7</p><p>　　2.2恒壓充電法(CV)8</p><p>　　2.3恒壓限流充電8</p><p>　　2.4恒流恒壓充電法(CC/CV)9</p><p>　　2.5分級定電流充電法9</p><p>　　2.6脈沖充電方法10</p><p>　　2.7定

12、化學反應狀態(tài)充電法11</p><p>　　2.8變電流間歇/定電壓充電法11</p><p>　　第三章 硬件電路設計12</p><p>　　3.1設計思路分析12</p><p>　　3.1.1脈寬PWM法充電12</p><p>　　3.1.2電源管理IC控制充電13</p>

13、<p>　　3.2電路設計15</p><p>　　3.2.1MAX1898電源管理IC15</p><p>　　3.2.2AMT1001溫濕度傳感器17</p><p>　　3.2.3其他外圍設備驅動介紹19</p><p>　　第四章 軟件設計23</p><p>　　4.1程序流程設

14、計23</p><p>　　4.2程序功能模塊設計24</p><p>　　4.2.1電池狀態(tài)檢測子程序24</p><p>　　4.2.2鍵盤掃描子程序24</p><p>　　4.2.3倒計時子程序24</p><p>　　4.2.4顯示子程序25</p><p>　　

15、4.2.5A/D轉換子程序25</p><p><b>　　第五章 調試26</b></p><p>　　5.1硬件調試26</p><p>　　5.1.1靜態(tài)測試26</p><p>　　5.1.2聯機調試26</p><p>　　5.2軟件調試27</p>

16、<p>　　5.3系統調試27</p><p><b>　　致謝30</b></p><p><b>　　附錄32</b></p><p>　　附錄A 系統設計源代碼32</p><p><b>　　緒論</b></p><p>

17、　　鋰離子電池具有較高的重量比、無記憶效應、可重復充電多次、使用壽命長、價格低等優(yōu)點。因此，在便攜式產品向更小更輕方向發(fā)展的今天，選用單節(jié)鋰離子電池供電已成為產品設計者的首要選擇。</p><p>　　鋰離子電池因易受到過充電、深放電以及短路的危害，單體的鋰離子電池的充電電壓必須嚴格控制。充電速率（蓄電池的充電電流通常用充電速率C表示，C為蓄電池的額定容量，例如用1A的電流對500mAh的電池充電，充電速率就是2

18、C；同樣地，用1A的電流對1Ah的電池充電，充電速率就是1C）通常不超過1C，最低放電電壓為2.7V~3.0V，如果再繼續(xù)放電則會損害電池。</p><p>　　鋰電池的充電過程一般包括預充電、恒流充電（CC）和恒壓充電（CV）三個過程。預充電以小電流對電池進行涓流充電，當電池電壓上升到預充電閾值以上時，以大電流對電池進行恒流充電；當電池電壓接近浮充電壓閾值（4.2V），充電器逐漸轉變?yōu)楹銐耗Ｊ匠潆?，充電電流逐漸

19、減??；當電流減小到終止電流 錯誤!未找到引用源。時，充電過程結束。</p><p>　　在深入了解了鋰離子電池的充電原理和充電控制方法后，我發(fā)現鋰離子電池的充電設備需要解決一下幾個問題：</p><p>　　能進行充點前處理，包括電池充電狀態(tài)鑒定、預處理。</p><p>　　解決充電時間長、充電效率低的問題。</p><p>　　改善因充電

20、控制不合理而造成電池過充、欠充等問題，提高電池的使用性能和使用壽命。</p><p>　　通過加強單片機控制，簡化外圍電路的復雜性，同時增加自動化管理設置，減輕充電過程的勞動強度和勞動時間，從而使充電器具有更高的可靠性、更大的靈活性，并且達到節(jié)能的效果。</p><p>　　本論文主要針對鋰離子電池充電器的研究，設計了一款單節(jié)鋰離子電池智能充電器，并且可以從USB接口充電。該充電器可以實時

21、采集電池的電壓和電流，并對充電過程進行智能控制，可在無過熱危險的情況下實現電池充電速率的最大化，并且系統中的管理電路還具有保護功能，可防止電池的過充和過放電對電池造成損壞。同時，系統采用了充滿電后自動斷電措施，有效的防止了多數情況下在充滿電后充電器始終連在電源上造成的電能浪費。</p><p>　　單片機技術的特點及應用</p><p>　　隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展和計算機微

22、型化的需要，將微型計算機的基本部件：中央處理器（CPU）、存儲器、輸入輸出（I/O）接口、定時器/計時器等多種資源集成在一個半導體芯片上，使得一塊集成電路芯片就能構成一個完整的微型計算機。這種集成電路芯片被稱為單片微型計算機（Single Chip Microcomputer），簡稱單片機。單片機在結構設計上，它的軟、硬件系統及I/O接口控制能力等方面都有獨到之處，具有強而有效的功能。從其組成、邏輯功能上來看，單片機具備了微型計算機系統

23、的基本部件。</p><p>　　目前，各種類型單片機在應用產品中占主導地位，產品眾多，已有幾十個系列、幾百種型號，除了通用單片機以外，集成更多資源，如A/D轉換器、D/A轉換器、“看門狗”（Watchdog）電路、LCD控制器、網路控制模塊等，將單片機嵌入式系統好Internet連接起來已是一種趨勢。還有專用單片機產品，如專門用于數據處理（圖像和語言處理等）的單片機（DSP）。總之，單片機正在向微型化、低功耗、

24、高速、高集成度、多資源、網絡化、專用型方向發(fā)展。</p><p><b>　　單片機的特點</b></p><p>　?。?）高集成度，體積小，高可靠性</p><p>　　單片機將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的。芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設計的，內部布線很短，其抗工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的CPU。單片機程序指

25、令，常數及表格等固化在ROM中不易破壞，許多信號通道均在一個芯片內，故可靠性高。</p><p><b>　?。?）控制功能強</b></p><p>　　為了滿足對對象的控制要求，單片機的指令系統均有極豐富的條件：分支轉移能力，I/O口的邏輯操作和位處理能力，非常適用于專門的控制功能。</p><p>　?。?）低電壓，低功耗，便于生產便攜式

26、產品 </p><p>　　為了滿足廣泛使用于便攜式系統，許多單片機內的工作電壓僅為1.8V～3.6V，而工作電流僅為數百微安。</p><p><b>　　（4）易擴展</b></p><p>　　片內具有計算機正常運行所必需的部件。芯片外部有許多供擴展用的三總線及并行、串行輸入/輸出管腳，很容易構成各種規(guī)模的計算機應用系統。</p&g

27、t;<p>　?。?）優(yōu)異的性能價格比</p><p>　　單片機的性能極高。為了提高速度和運行效率，單片機已開始使用RISC流水線和DSP等技術。單片機的尋址能力也已突破64KB的限制，有的已可達到1MB和16MB，片內的ROM容量可達62MB，RAM容量則可達2MB。由于單片機的廣泛使用，因而銷量極大，各大公司的商業(yè)競爭更使其價格十分低廉，其性能價格比極高。</p><p&g

28、t;<b>　　單片機的應用</b></p><p>　?。?）單片機在智能儀器儀表中的應用</p><p>　　在各類儀器儀表中引入單片機，使儀器儀表智能化，提高測試的自動化程度和精度，簡化儀器儀表的硬件結構，提高其性能價格比。</p><p>　?。?）單片機在機電一體化中的應用 </p><p>　　機電一體化是機

29、械工業(yè)發(fā)展的方向。機電一體化產品是指集成機械技術、微電子技術、計算機技術于一體，具有智能化特征的機電產品，例如微機控制的車床、鉆床等。單片機作為產品中的控制器，能充分發(fā)揮它的體積小、可靠性高、功能強等優(yōu)點，可大大提高機器的自動化、智能化程度。</p><p>　?。?）單片機在日常生活及家用電器領域的應用</p><p>　　自從單片機誕生以后，它就步入了人類生活，如洗衣機、電冰箱、空調器

30、、電子玩具、 電飯煲、視聽音響設備等家用電器配上單片機后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人們喜愛。單片機將使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩。</p><p>　　（4）在實時過程控制中的應用</p><p>　　用單片機實時進行數據處理和控制，使系統保持最佳工作狀態(tài)，提高系統的工作效率和產品的質量，在自動控制系統中有廣泛的應用。</p><p>　?。?）辦公

31、自動化設備</p><p>　　現代辦公室使用的大量通信和辦公設備多數嵌入了單片機。如打印機、復印機、傳真機、繪圖機、考勤機、電話以及通用計算機中的鍵盤譯碼、磁盤驅動等。</p><p><b>　?。?）商業(yè)營銷設備</b></p><p>　　在商業(yè)營銷系統中已廣泛使用的電子稱、收款機、條形碼閱讀器、IC卡刷卡機、出租車計價器以及倉儲安全監(jiān)

32、測系統、商場保安系統、空氣調節(jié)系統、冷凍保險系統等都采用了單片機控制。</p><p>　?。?）在計算機網絡和通信領域中的應用</p><p>　　現代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數據通信，為在計算機網絡和通信設備間的應用提供了極好的物質條件，現在的通信設備基本上都實現了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統、列車無線通信、再到日常工作

33、中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機、路由器等。</p><p>　?。?）單片機在醫(yī)用設備領域中的應用</p><p>　　單片機在醫(yī)用設備中的用途亦相當廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統等等。</p><p><b>　?。?）汽車電子產品</b></p><p>　　現

34、代汽車的集中顯示系統、動力監(jiān)測控制系統、自動駕駛系統、通信系統和運行監(jiān)視器（黑匣子）等都離不開單片機，并且在汽車技術日益發(fā)達的今天，單片機更是在汽車系統中起到了舉足輕重的作用。</p><p>　?。?0）航空航天系統和國防軍事、尖端武器等領域</p><p>　　單片機的應用更是不言而喻。例如導彈跟蹤系統，智能機器人等，正是因為單片機的應用，使得武器設備變得越來越智能，減少了人工的干預，

35、增強了穩(wěn)定性和安全性。</p><p>　　綜合所述，單片機已成為計算機發(fā)展和應用的一個重要方面。另一方面，單片機應用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統的控制系統設計思想和設計方法。從前必須由模擬電路或數字電路實現的大部分功能，現在已能用單片機通過軟件方法來實現了。這種軟件代替硬件的控制技術也稱為微控制技術，是傳統控制技術的一次革命。</p><p>　　飛思卡爾MC9S12XS128

36、單片機簡介</p><p>　　本文設計中使用的單片機型號為MC9S12XS128MAL（圖1.1），為了解和方便使用，在此做簡單介紹。MC9S12XS128（以下簡稱XS128）是Freescale公司推出的S12XS系列單片機中的一款增強型16位單片機，S12XS系列單片機是在S12XE系列的基礎上去掉XGate協處理器的單片機，該系列單片機采用CPU12X V2內核，可運行在40MHz總線頻率上。不僅在汽車

37、電子、工業(yè)控制、中高檔機電產品等應用領域具有廣泛的用途，而且在FLASH存儲控制機加密方面也有很強的功能。</p><p>　　圖 1.1 MC9S12XS128MAL單片機</p><p>　　MC9S12XS128單片機的特點：</p><p>　　存儲器：128KB FLASH；2KB EEPROM；8KB RAM；</p><p>　

38、　A/D：16通道模數轉換器（本設計中用到），可選8位、10位和12位精度；</p><p>　　PWM：8位8通道或16位4通道PWM；</p><p>　　串行口：2個異步串行通訊SCI和2個同步串行設備接口SPI；</p><p>　　CRG時鐘和復位發(fā)生器：鎖相環(huán)、看門狗、實時中斷；</p><p><b>　　增強型捕捉定

39、時器；</b></p><p>　　錯誤!未找到引用源?？偩€；</p><p>　　CAN總線：3個1Mbps的CAN總線，兼容CAN 2.0 A/B；</p><p>　　背景調試模式（BDM）；</p><p>　　封裝：LQFP-112。</p><p><b>　　實現智能充電的意義<

40、;/b></p><p>　　由于充電器多采用大電流的快速充電法， 在電池充滿后如果不及時停止會使電池發(fā)燙，過度的充電會嚴重損害電池的壽命。一些低成本的充電器采用電壓比較法，為了防止過充，一般充電到90%就停止大電流快充，采用小電流涓流補充充電。</p><p>　　鋰離子電池是便攜設備最為常用的一種電池，鋰離子電池的使用壽命和單次使用時間與充電過程密切相關，對于充電器的要求比較苛刻

41、，需要保護電路。為了有效利用電池容量，需將鋰離子電池充電至最大電壓，同時防止過壓充電造成電池損壞，這就要求較高的控制精度。另外，對于電壓過低的電池需要進行預充，充電器最好帶有熱保護和時間保護，為電池提供附加保護。一部分的充電器不但能在很短時間內將電量充足，而且還可以對電池起到一 定的維護作用，修復由于使用不當造成的記憶效應，即容量下降（電池活性衰退）現象。設計比較科學的充電器往往采用專用充電控制芯片配合單片機控制的方式。專用的充電芯片具

42、有業(yè)界公認較好的△v 檢測，可以檢測出電池充電飽和時發(fā)出的電壓變化信號，比較精確地結束充電工作，通過單片機對這些芯片的控制，可以實現充電過程的智能化。例如，在充電后增加及時關段電源、蜂鳴報警和液晶顯示等功能。充電器的智能化可以縮短充電的時間，同時能夠維護電池，延長電池使用壽命。</p><p><b>　　充電方案選擇</b></p><p>　　充電管理是鋰離子電池

43、管理系統的重要組成部分，它對電池的特性及壽命有著至關重要的影響。隨著電源技術的不斷發(fā)展，充電的手段越來越豐富，充電方式對電池及應用環(huán)境的針對性也越來越強。目前針對各種各樣的可充電電池，存在的主要充電方法包括：恒流充電法、恒壓充電法、恒壓限流充電法、恒流恒壓充電法、分級定流充電法、脈沖式充電法、定化學反應狀態(tài)充電法、變電流間歇／恒壓充電法及變電壓間歇充電法等。這些充電方法根據各自特點，被運用在不同充電管理系統中。</p>&

44、lt;p><b>　　恒流充電(CC)</b></p><p>　　恒流充電根據其充電電流的大小，又可分為浮充充電(又稱涓流充電)、標準充電及快速充電。該方法在整個充電過程中采用恒定電流對電池進行充電，充電曲線如圖2.1所示。這種方法操作簡單，易于做到，特別適合對由多個電池串聯的電池組進行充電。但由于鋰離子電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的，在充電后期，若充電電流仍然

45、不變，充電電流多用于電解質，產生大量氣泡，這不僅消耗電能，而且容易造成極板上活性物質脫落，影響鋰離子電池的壽命。</p><p>　　圖 2.1 恒流方式電池充電曲線</p><p><b>　　恒壓充電法(CV)</b></p><p>　　在恒壓充電法中，充電電源的電壓在全部充電時間里保持恒定的數值，隨著鋰離子電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸

46、減少。充電曲線如圖2.2所示。從圖中可以看到，充電初期充電電流過大，這樣對鋰離子電池的壽命會造成很大影響。與恒流充電一樣，該方法操作簡單，易于做到。但在電池放電深度過深時，充電初期電流過大，容易對電池及電路造成損傷。</p><p>　　圖 2.2恒壓方式電池充電曲線</p><p><b>　　恒壓限流充電</b></p><p>　　該方法

47、在恒壓充電的基礎上，通過在充電設備輸出電壓與電池之間增加限流元件(一般為電阻)來對充電電流進行調整。充電初期，充電電流大，電阻上的壓降也大，充電設備輸出的電壓損失也大，充電電流被限制在一定范圍以內。充電結束時，電流減小，充電設備輸出的電壓損失也小，充電曲線如圖2.3所示。該方法克服了恒壓模式下電流過大的缺點。但由于增加了限流電阻，充電效率降低。</p><p>　　圖 2.3恒壓限流方式電池充電曲線</p&

48、gt;<p>　　恒流恒壓充電法(CC/CV)</p><p>　　在CC/CV充電器中，充電通過恒定電流開始。在恒流充電CC周期中，為了防止過度充電而不斷監(jiān)視電池端電壓。當電壓達到設定的端電壓時，電路切換為恒定電壓充電，直到把電池充滿為止。在CC充電期間，電池可以以較高電流強度進行充電，這期間電池被充電到大約85％的容量。在CV充電周期中，電池電壓恒定，充電電流逐漸下降，在電流下降到低于電池的1／

49、10C容量時，充電周期完成。恒流恒壓充電曲線如圖2.4所示。</p><p>　　圖 2.4 普通恒流恒壓方式電池充電曲線</p><p><b>　　分級定電流充電法</b></p><p>　　分級定電流充電法與恒流恒壓充電方法相似。它根據電池充電過程中不同充電階段的特性，將充電過程劃分為幾個階段，在不同的階段采用不同的充電電流或電壓，這種

50、充電方法在恒流恒壓充電方法的基礎上，將充電過程進一步細劃，可以達到保護電池和快速充電的目的，是目前運用最廣泛的充電方法。在鋰離子電池充電管理中所采用的三階段充電法，基本上就是這種方法在應用過程中的一種變體。三階段充電法將鋰電池充電過程分為三個階段，第一階段為小電流充電階段，主要起保護電池的作用；第二階段為恒流充電階段，采用固定電流對電池充電以實現快速充電的目的：第三階段為恒壓階段，主要是保證電池充滿及防止過充電。該方法充電曲線如圖2.5

51、所示。</p><p>　　圖 2.5 電池分級定電流充電曲線</p><p><b>　　脈沖充電方法</b></p><p>　　脈沖充電方式是比較新的一種充電方式。脈沖充電法是從對電池的恒流充電開始的，大部分的能量在恒流充電過程中被轉移到電池內部。當電池電壓上升到充電終止電壓 錯誤!未找到引用源。后，脈沖充電法由恒流轉入真正的脈沖充電階段

52、。在這一階段，脈沖充電方式以與恒流充電階段相同的電流值間歇性的對電池進行充電。每次充電時間為 錯誤!未找到引用源。后，然后關閉充電回路。充電時由于充電電流的存在，電池電壓將繼續(xù)上升并超過充電終止電壓 錯誤!未找到引用源。；當充電回路被切斷后，電池電壓又會慢慢下降。電池電壓恢復到 錯誤!未找到引用源。時，重新打開充電回路，開始下一個脈沖充電周期。在脈沖充電電流的作用下，電池會漸漸充滿，電池端壓下降的速度也漸漸減慢，這一過程一直持續(xù)到電池電

53、壓恢復到 錯誤!未找到引用源。的時間達到某個預設的值 錯誤!未找到引用源。為止，可以認為電池已接近充滿，充電曲線如圖2.6所示。</p><p>　　圖 2.6 脈沖充電法電池充電曲線圖</p><p>　　定化學反應狀態(tài)充電法</p><p>　　定化學反應狀態(tài)充電是近幾年提出來的充電方法。采用這種方法充電，充電設備的閉環(huán)跟蹤系統動態(tài)跟蹤電池可接受的充電電流。這樣

54、充電電流始終與電池可接受的充電電流保持良好的匹配關系，使充電過程在最佳狀態(tài)下進行，充電曲線如圖2.7所示。這種充電方式具有充電效率高，充電時間短等優(yōu)點。但其電路系統較為復雜，造價高，不易實現。</p><p>　　圖 2.7 定化學狀態(tài)充電法曲線圖</p><p>　　變電流間歇/定電壓充電法</p><p>　　變電流間歇／定電壓充電法與變電壓間歇充電法也是近幾年

55、提出來的充電方法。該方法目前主要用于對鉛酸蓄電池進行充電。它們采用分級電流或電壓對電池進行間歇式充電，以提高充電效率和速度。目前對鋰電池仍然以恒流恒壓的充電方法為主。充電初期一般采用小電流對電池進行預處理，防止電池過放電帶來的影響；接著用大電流快速充電；在電池電壓達到額定充電終止電壓時，轉為恒壓模式確保電池充滿。本文采用目前廣泛充電方法分級定電流充電模式，雖然這種方法電路相對復雜，但充電時間短，效率高，因此在鋰離子電池充電方案中占主導地

56、位。</p><p><b>　　硬件電路設計</b></p><p><b>　　設計思路分析</b></p><p>　　在詳細的了解了鋰離子電池的充電原理和查閱有關充電方案后，本文提出了兩種智能充電控制的方案，并通過比較兩種充電方案的優(yōu)缺點選擇最佳的充電方案。</p><p><b>

57、;　　脈寬PWM法充電</b></p><p>　　隨著電子技術的發(fā)展，出現了多種PWM技術，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而在鋰離子電池智能充電器中采用的脈寬PWM法。它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協調變化。脈寬PWM法的基本思想就是

58、利用單片機具有的PWM端口和PWM控制恒壓恒流源芯片配合，在不改變PWM方波周期的前提下，通過軟件的方法調整單片機的PWM控制寄存器來調整PWM的占空比，從而控制充電電壓和電流。本方法所要求的單片機必須具有ADC端口和PWM端口這兩個必須條件。</p><p>　　脈寬PWM法充電具有以下優(yōu)缺點。</p><p>　　可控制涓流大小。在PWM控制充電的過程中,單片機可實時檢測ADC端口上充

59、電電流的大小，并根據充電電流大小與設定的涓流進行比較，以決定PWM占空比的調整方向。</p><p>　　電池喚醒充電。單片機利用ADC端口與PWM的寄存器可以任意設定充電電流的大小，所以，對于電池電壓比較低的電池，在上電后，可以采取小電流充一段時間的方式進行充電喚醒，并且在小電流的情況下可以近似認為恒流，對電池的沖擊破壞也較小。</p><p>　　電流控制精度低。充電電流的大小的感知是

60、通過電流采樣電阻來實現的，采樣電阻上的壓降傳到單片機的ADC輸入端口，單片機讀取本端口的電壓就可以知道充電電流的大小。若設定采樣電阻為R（單位為Ω），采樣電阻的壓降為V（單位為mV）， 10位ADC的參考電壓為5.0V。則ADC的1 LSB對應的電壓值為 5000mV/1024≈5mV。一個5mV的數值轉換成電流值就是50mA，所以軟件PWM電流控制精度最大為50mA。若想增加軟件PWM的電流控制精度，可以設法降低ADC的參考電壓或采用

61、10位以上ADC的單片機。</p><p>　　PWM采用軟啟動的方式。在進行大電流快速充電的過程中，充電從停止到重新啟動的過程中，由于磁芯上的反電動勢的存在，所以在重新充電時必須降低PWM的有效占空比,以克服由于軟件調整PWM的速度比較慢而帶來的無法控制充電電流的問題。</p><p>　　充電效率不是很高。在快速充電時，因為采用了充電軟啟動，再加上單片機的PWM調整速度比較慢，所以實際

62、上停止充電或小電流慢速上升充電的時間是比較大的。</p><p>　　電源管理IC控制充電</p><p>　　由于充電管理IC將充電各個階段的充電電路集成在了芯片內部，實現了功能的模塊化，相比較PWM控制的分立恒壓源恒流源充電電路，具有電路簡單易實現的優(yōu)點，并且提高了充電效率，降低了軟件編程算法難度和設計成本，缺點是無法實現USB模式的智能充電。但是通過比較兩種方法的優(yōu)缺點，本文選擇方案

63、二作為智能充電器的設計的最終方案。</p><p>　　本文設計中采用鋰離子電池充電IC是MAX1898（圖3.1）。MAX1898和外部晶體管PNP或PMOS組成一個鋰離子充電器，可精確地恒流/恒壓充電，電池電壓精度可達±0.75%。MAX1898有兩種型號，MAX1898EUB42應用于4.2V的鋰離子電池，類似的MAX1898EUB41用于4.1V的鋰離子電池。MAX1898具有以下功能：<

64、/p><p>　?。?）電壓精度達±0.75%</p><p><b>　　（2）充電電流可控</b></p><p>　?。?）帶自動輸入電源監(jiān)視器</p><p><b>　?。?）內部檢流電阻</b></p><p>　　（5）LED充電狀態(tài)指示器</p&g

65、t;<p>　　（6）可控的安全充電時間</p><p>　?。?）電流大小監(jiān)視輸出</p><p>　?。?）可選擇的自動重啟</p><p>　　圖 3.1 MAX1898</p><p>　　MAX1898充電過程如下：</p><p><b>　　預充</b></p&g

66、t;<p>　　在安裝好電池后，接通電源，當充電器檢測到電池時將定時器復位，從而進入預充過程，在此期間充電器以快充電流的10%給電池充電，使電壓、溫度恢復到正常狀態(tài)。預充電時間由外接電容C9確定，如果在預充時間內電池電壓達到2.5V，且電池溫度正常，則進入快充過程；如果超過預充時間后，電池電壓低于2.5V，則認為電池不可充電，充電器顯示電池故障，由單片機發(fā)出故障指令，LED指示燈閃爍。</p><p&g

67、t;<b>　　快充</b></p><p>　　快充就是以恒定電流對電池充電，恒流充電時，電池的電壓緩慢上升，一旦電池電壓達到所設定的終止電壓時，恒流充電終止，充電電流快速遞減，充電進入滿充過程。</p><p><b>　　滿充</b></p><p>　　在滿充過程中，充電電流逐漸遞減，直到充電速率降到設置值以下，或

68、滿充超時時，轉入頂端截止充電。頂端截止充電時，充電器以極小的充電電流為電池 補充能量。由于充電器在檢測電池電壓是否達到終止電壓時有充電電流通過電池內阻，盡管在滿充和頂端截至充電過程中充電電流逐漸下降，減小了電池內阻和其它串聯電阻對電池端電壓的影響，但串聯在充電回路中的電阻形成的壓降仍然對電池終止電壓的檢測有影響。一般情況下，滿充和頂端截止充電可以延長電池5%～10%的使用時間。</p><p><b>

69、　　電路設計</b></p><p>　　系統硬件設計以飛思卡爾MC9S128XSMAL單片機為核心，以電源管理芯片、溫濕度傳感器、蜂鳴器、繼電器、LCD顯示屏、鍵盤、充電保護電路等外設組成，由于便攜設備內部有保護電路因此無法利用充電管理IC直接為其充電，因此充電分為電池直接充電和USB充電兩部分，而USB充電采用恒壓充電，具體充電可以通過程序設定，系統框圖（圖3.2）如下：</p>&

70、lt;p>　　圖 3.2 系統框圖</p><p>　　MAX1898電源管理IC</p><p>　　表3-1 MAX1898引腳定義：</p><p>　　電流設定：MAX1898充電電流通過線性控制外部晶體管PMOS或PNP，最大的充電電流通過連接ISET與GND的外部電阻來設定，選擇電阻通過如下公式：</p><p>　?。▎挝?/p>

71、是安培，單位是歐姆） （4-1）</p><p>　　ISET可用來實時檢測實際的充電電流。ISET端有1mA輸出的電流就表明充電電流為1A，ISET端的輸出電壓正比與充電電流。</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　在快速充電階段通常ISET端的電壓為1.4V，電池充滿時將隨著充電電流下降

72、。</p><p>　　狀態(tài)輸出： 是一個漏極開路輸出，可以監(jiān)視電池的充電狀態(tài)。有5mA的限定電流，因此LED可以直接連接在IN與之間作為充電狀態(tài)標志。另外，可以通過上拉電阻（通常100kΩ）輸出邏輯電平。</p><p>　　充電周期重新開始：當電池電壓降到電池額定電壓下0.2V時，配置MAX1898能夠使充電周期自動重新開始（將RSTRT接GND），重啟閾值可以通過在RSTRT與GND

73、間接外部電阻來降低。假如不需要自動重啟，可以懸空RSTRT。自動重啟功能無效時，充電只能通過清零在置高EN/OK來重新開始新的周期，或者先斷開輸入電源后重新接入電源。</p><p>　　EN/OK(EN輸入，OK輸出)：EN/OK有兩種功能，可以作為邏輯輸入（高電平）使能充電。除了開/關控制之外，EN/OK也可以反應出輸入電源是否接入。當輸入電源接IN（> ， >4.25V）,EN/OK輸出高電平3

74、V，通過內部上拉100kΩ電阻。因此EN/OK可以作為輸出來反映AC適配器接入情況，同時通過漏極開路的驅動可以開/關充電。假如IN沒有電壓或不足，EN/OK將保持低電平，充電將關閉。下面是MAX1898的應用電路（圖 3.3）：</p><p>　　圖 3.3 MAX1898充電驅動電路</p><p>　　當電池充滿后，MAX1898芯片的2腳發(fā)送的脈沖電平會由低變高，這個狀態(tài)變化會傳遞

75、給單片機，單片機檢測到電池充滿狀態(tài)后會根據程序設置做相應判斷，當單片機確定電池充滿電后會通過蜂鳴器和顯示提示用戶電池充滿，并自動斷電。</p><p>　　AMT1001溫濕度傳感器</p><p>　　AMT1001 （圖3.4）是濕敏電阻型溫濕度傳感器，傳感器信號采用模擬電壓輸出方式，具有精度高，可靠性高，一致性好，且已帶溫度補償，確保長期穩(wěn)定性好，使用方便及價格低廉等特點，尤其適合對

76、質量、成本要求比較苛刻的企業(yè)使用。本設計中分別使用單片機A/D轉換接口AN00和AN01來接收傳感器的溫度和濕度數據（圖 3.5）。當環(huán)境溫度或濕度超過充電器工作條件時，系統會通過蜂鳴器報警并自動斷電。</p><p>　　圖 3.4 AMT1001溫濕度傳感器</p><p>　　傳感器參數及引腳分配如下：</p><p>　?。?）供電電壓（Vin）： DC 4

77、.75~5.25V </p><p>　?。?）消耗電流： 約2mA </p><p>　　（3）使用溫度范圍： 0～60℃ </p><p>　?。?）溫度檢測范圍： 0～60℃ </p><p>　?。?）使用濕度范圍： 20～95%RH </p><p>　?。?）濕度檢測范圍： 20～90%RH </p&

78、gt;<p>　?。?）保存溫度范圍： 0～60℃ </p><p>　?。?）保存濕度范圍： 95%RH以下（非凝露） </p><p>　?。?）濕度檢測精度： ±5%RH（條件:at25℃,60%RH） </p><p>　　（10）溫度檢測精度： ±0.5℃（條件:at25℃） </p><p>　　

79、（11）標準濕度輸出電壓（免調試）：（條件:at25℃,Vin=5V）</p><p>　　表 3-2 引腳定義：</p><p>　　圖 3.5 溫濕度傳感器驅動電路</p><p>　　其他外圍設備驅動介紹</p><p>　　1.LCD1602顯示由單片機PB3-PB5引腳控制位選及讀寫信號V0、RS和RW，PA0-PA7引腳來控制數據

80、信號，供電電壓5V（圖3.6）。</p><p>　　圖 3.6 LCD1602驅動電路</p><p>　　2.鍵盤由單片機PK0-PK2引腳來控制，引腳接1KΩ上拉電阻拉至高電平并與鍵盤相連，鍵盤另一端接地，如圖3.7。當有按鍵按下時，單片機對應I/O口電平會被拉低，從而感應出鍵盤的操作。</p><p>　　圖 3.7 鍵盤驅動電路</p>&l

81、t;p>　　3.USB充電控制電路由三極管S8550、S8050、KA431組成恒壓限流驅動電路，防止電流過大損害USB設備，如圖3.8。如果直接將電源連接在USB設備上會出現USB設備不識別電源和充電電流高于額定充電電流引起電池發(fā)熱的問題，因此利用三極管的限流作用組成USB設備的供電電路對USB設備進行充電。</p><p>　　圖 3.8 USB充電電路</p><p>　　4.

82、繼電器和蜂鳴器分別有單片機PB0、PB1-PB2引腳控制，由三極管S8050驅動，繼電器驅動電路（圖 3.9）如下：</p><p>　　圖 3.9 繼電器驅動電路</p><p>　　蜂鳴器驅動電路與繼電器驅動電路類似，不同的地方在于蜂鳴器驅動電路沒有反向電流保護的二極管，同時增加了硬件開關和LED指示燈，方便用戶隨時開啟蜂鳴器提醒模式，省去了繁瑣的軟件設置步驟，簡單易操作。如圖3.10

83、</p><p>　　圖 3.10 蜂鳴器驅動電路</p><p>　　繼電器驅動電路同時也是智能充電器的安全保護電路，融合了個人的創(chuàng)意設計。充電器采用觸發(fā)式啟動方式，而不是日常生活中普遍采用的開關式啟動，當電源按鈕被按下3秒時繼電器接通系統電源，否則系統仍然會是斷電狀態(tài)，這樣能夠防止誤操作而接通充電器的電源；當充電器工作出現異?；蛘唠姵爻錆M時，繼電器起到及時切斷系統電源的作用，實現充電器

84、與電源的完全電氣隔離，提高了充電器的安全性。</p><p><b>　　軟件設計</b></p><p><b>　　程序流程設計</b></p><p>　　由于硬件充電電路分為兩部分，因此程序設計兩種充電的模式，默認模式0為電池充電，模式1為USB充電。程序初始化后分別啟動AD轉換程序、電池檢測程序、LCD顯示程序，

85、同時開始定時器，程序流程圖（圖4.1）如下：</p><p>　　圖 4.1 程序流程圖</p><p><b>　　程序功能模塊設計</b></p><p>　　為了增加程序的可讀性和靈活性，程序的各個功能采用分塊編寫的方式，每一個功能模塊調試通過后就不再影響系統的其他程序，這樣既達到了方便調試的目的，同時也將程序的執(zhí)行效率優(yōu)化到最佳狀態(tài)。&

86、lt;/p><p><b>　　電池狀態(tài)檢測子程序</b></p><p>　　void battery_detect(void);</p><p>　　電池檢測的原理是根據IC在接通電池后引腳狀態(tài)的改變，因此在執(zhí)行此程序模塊時連續(xù)檢測引腳狀態(tài)50次，并記錄高電平狀態(tài)的次數，如果高于實驗值10次則可判斷檢測到電池，這樣保證了檢測的正確性，降低檢測錯

87、誤的概率。在檢測到電池后，系統全局變量g_bf置為1，系統通過這個標志位執(zhí)行相應功能。</p><p><b>　　鍵盤掃描子程序</b></p><p>　　void keyscan(void);</p><p>　　這段程序用于模式1充電時Menu按鍵狀態(tài)的檢測，在模式1充電方式中，Menu鍵通過連續(xù)按的方式改變設置狀態(tài)，分別是設置時、設置

88、分和確定，在不同的設置狀態(tài)返回全局變量g_funtion不同的標志位，同時程序還有一個巧妙的設計，通過標志位g_s判斷按鍵按下的狀態(tài)，防止長按Menu鍵造成的功能跳躍。</p><p><b>　　倒計時子程序</b></p><p>　　void timer(void);</p><p>　　這段程序用于模式1狀態(tài)下所有功能的實現，包括時間設

89、置、倒計時功能和倒計時結束的操作，具體操作根據全局變量g_funtion的值。g_funtion=OK時為時間設置提示界面；g_funtion=SetH和SetM分別為小時和分的設置，其中時最大值為6小時；g_funtion=Start和Finish分別為開始計時和結束計時的標志。</p><p><b>　　顯示子程序</b></p><p>　　void Welc

90、ome(void);</p><p>　　void LCM1602_Init(void);</p><p>　　void LCM1602_ClrScreen(void);</p><p>　　void LCM1602_SendCmd(uchar cmd);</p><p>　　void LCM1602_SendData(uchar dat);

91、</p><p>　　uchar LCM1602_ReadData(void);</p><p>　　void LCM1602_ChkBusy(void);</p><p>　　void LCM1602_PrintStr(uchar x,uchar y,char* str);</p><p>　　void display(int H,int

92、M,int S);</p><p>　　welcome子程序定義了系統初始化時的歡迎界面。LCM1602系列子程序相當于1602液晶顯示屏的底層驅動程序，通過定義驅動引腳及讀寫狀態(tài)時引腳的邏輯電平變化達到通過調用程序就能顯示任何字符的功能，并且方便任何程序調用。display顯示子程序負責除了初始化界面以外所有狀態(tài)的顯示，同倒計時子程序一樣，該子程序通過全局變量g_funtion的值來判斷該顯示什么。</p

93、><p><b>　　A/D轉換子程序</b></p><p>　　void ADCInit(void);</p><p>　　uint16 ADCValue(uint8 channel);</p><p>　　uint16 ADCMid(uint8 channel);</p><p>　　uint1

94、6 ADCAve(uint8 channel, uint8 n);</p><p>　　ADCInit子程序負責A/D通道的初始化，包括采樣時間和頻率的設置和采樣分辨率的設置；ADCValue子程序負責獲取A/D通道轉換的結果；ADCMid子程序負責將A/D通道轉換的結果進行中值濾波；ADCAve子程序負責將中值濾波之后的數據再進行n次均值濾波，并輸出最后結果。</p><p><b

95、>　　調試</b></p><p><b>　　硬件調試</b></p><p>　　硬件調試時，可先檢查印制電路板及焊接的質量情況，在檢查無誤后，可通電檢查LCD 顯示器的顯示狀態(tài)。單片機系統的硬件和軟件調試相互密切聯系，許多硬件錯誤是在軟件調試中發(fā)現的，但是一般還是盡可能地先排除硬件故障后，再進行聯機調試。</p><p>

96、;<b>　　靜態(tài)測試</b></p><p>　　在樣機加電之前，首先要進行靜態(tài)測試，主要內容有：</p><p>　　1．檢查線路。通過目測和使用萬用表，檢查樣機連線的正確性，注意各電路板之間的連線完好。 </p><p>　　2．核對元器件。檢查所有的元器件是否有插錯或損壞現象。</p><p>　　3．檢查電源系

97、統。將樣機中所有芯片都從插座上拔下，給樣機加電。檢查完整流穩(wěn)壓電路后，逐一檢查各芯片插座上電源引腳的電壓是否有異常情況。一切正常時，斷電，插上一個芯片，重復檢查電壓，并試摸該芯片是否發(fā)熱。電源電壓正常，芯片沒有過熱現象。當插上某個芯片后對電源系統沒有影響。</p><p>　　4．外圍電路調試。將所有能進行硬件單獨調試的外圍電路如檢測信號放大 電路、輸出驅動電路等都調試好。進行局部電路調試，提供有關模擬信號或開關

98、信號。 </p><p><b>　　聯機調試</b></p><p>　　聯機調試是軟硬件結合調試，即利用簡單的調試程序來調試硬件系統。進行聯機調試，用專用仿真插頭將樣機和仿真器連接起來，分別打開樣機和仿真器的電源，按以下步驟進行具體調試： </p><p>　　1．測試 I/O 口和 I/O 設備。對于單片機本身的輸出口，用仿真器內部特殊功

99、能寄存器修改命令將數據寫入輸出口或運行一段給輸出口賦值的程序， 然后檢查輸出口的相應狀態(tài)及所接設備的狀態(tài)，如與寫入的內容一致，說明輸出口及輸出設備工作正常。對于單片機本身的輸入口，通過輸入設備給輸入口設置一定的狀態(tài)，然后用讀特殊功能寄存器命令讀出相應輸入接口寄存器的狀態(tài)，與設定的狀態(tài)一致，輸入口工作正常。擴展I/O口大多是可編程的。檢查時先向其控制(命令)寄存器寫入控制字，設定接口的工作狀態(tài)，然后再用外部數據存儲器讀寫命令來檢查 I/O

100、 口的狀態(tài)。I/O 口狀態(tài)與讀寫數據一致，工作正常。</p><p>　　2．試驗預充、充電保護、自動斷電和充電完成報警提示功能，借助程序進行。 </p><p><b>　　軟件調試</b></p><p>　　軟件調試是在編譯器下進行的。首先要將用C語言編寫的源程序進行編輯、編譯，變成目標程序(機器代碼程序)，然后才能調試，最后可結合硬件實

101、時調試。因此，軟件調試實際上可分為編輯、編譯和調試兩部分。</p><p>　　本次設計使用的是飛思卡爾單片機開發(fā)軟件CodeWarrior Development Studio for S12(X) V5.0。應用程序應分成若干個功能模塊來編寫和調試，單個程序模塊都調試通過后，將它們組合起來進行系統統調。模塊程序從調試方法來說分成兩類情況。</p><p>　　一類是各種計算程序已經代碼

102、轉換程序、靜態(tài) I/O 程序。這類程序如果不能正常運行，程序中的錯誤是靜態(tài)的固定的錯誤，因此可以用單拍或帶斷點運行方式來調試。另一類是I/O 實時處理程序和通訊程序。調試這類程序不能用單拍或慢速斷點方式，而必須采用全速斷點或全速連續(xù)運行方式。這是因為實時事件的發(fā)生是隨機的或不能停止的。如果有問題，需要從硬件和軟件兩個方面進行檢查和解決。</p><p><b>　　系統調試</b></

103、p><p>　　當硬件調試和軟件分模塊調試完成以后，就可以進行系統調試，在系統調試時，應將全部硬件電路都接上，應用程序也都組合好，進行全系統軟硬件的統調。系統調試的任務是排除軟硬件中的殘留錯誤，使整個微機系統能夠完成預定的工作任務，達到要求的技術性能指標。系統調試如圖5.1所示。</p><p>　　在系統調試中要注意以下幾點：</p><p>　　1.對于有電氣控制負

104、載的系統，先試空載，空載正常后在試驗負載情況。</p><p>　　2.要試驗系統的各項功能，避免遺漏。仔細調整有關軟件或硬件，使檢測和控制達到要求的精度。</p><p>　　3.系統調試時，仿真器采用全速斷點或連續(xù)運行方式，在綜合調試的最后階段應使用樣機中的晶振。</p><p>　　4.系統要連續(xù)運行相當的時間，以考驗硬件部分的穩(wěn)定性。</p>

105、<p><b>　　結束語</b></p><p>　　本次設計以充電芯片MAXl898的使用為主體，利用單片機配合實現智能化充電的便攜設備充電器。目前，充電電池的種類繁多，因此在充電器的方案創(chuàng)建時需要針對不同的電池選擇不同的充電芯片。本次設計實現的是單節(jié)鋰離子電池充電器，因此選用了芯片MAXl898作為充電芯片。設計在選擇芯片后進行硬件和軟件設計，最后進行調試和檢測。</p

106、><p>　　在本次設計過程中，需著重把握的是：預充、快充、滿充等充電方式的工作原理；MAXl898 的充電狀態(tài)指示輸出信號 在本設計中的應用；在整體設計中自動斷電功能的實現；MAXl898在外圍電路的設計中，其中包括設置充電電流的電阻和充電時間的電容數值的選取以及如何在單片機程序中判斷出充電完成還是充電出錯，并做出相應的處理。采用C語言設計單片機應用系統程序時，首先是要盡可能地采用結構化的程序設計方法，這樣就使整

107、個應用系統程序結構清晰，易于調試和維護。</p><p>　　雖然設計的最終結果與最初的設計目標有一定的差距，有些功能還沒有來的及實現，但是智能充電器在生活中有十分重要的推廣意義，就目前實現的功能來說，智能充電器還有很大的發(fā)展空間，未來的智能充電器功能將更加完善，充電過程將更加智能，并且在通用性上有更好的表現。這次設計的過程使我積累了許多寶貴的經驗，無論是從硬件設計上還是程序編寫上的能力都有很大的提高。</

108、p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　隨著畢業(yè)設計和畢業(yè)論文順利的完成，我的大學生涯也漸漸接近了尾聲。在這里我首先感謝我的導師給與我的幫助和指導。在畢設準備的初期，我的畢業(yè)設計的功能還很單一，通過老師的建議和指導使得畢業(yè)設計功能不斷完善，最終完成了現在的畢設作品。沒有老師的指導，我就不會有那么多的靈感去完成我的畢設作品。</p><

109、;p>　　同時還要感謝對我的作品提出的寶貴的創(chuàng)意和意見的同學們，在我遇到困難的時候給予我?guī)椭椭С?，在我取得進展的時候為我加油，如果不是你們，我的畢業(yè)設計作品不會這么完美，謝謝你們！</p><p>　　面對即將畢業(yè)的分離，我想到了所有陪伴我走過四年大學時光的老師和同學們給我?guī)淼拿篮没貞?。衷心的感謝大學四年里所有教過和幫助過我的老師們，你們不僅把知識傳授給我們，也在生活方面給予我們很大的幫助和支持，謝謝你

110、們對我的教誨和關愛！也衷心的感謝所有同學們在四年的光蔭里攢下點點滴滴的友誼，你們將是我人生中最大的一筆財富！</p><p>　　生我者父母。感謝生我養(yǎng)我，含辛茹苦的父母。是你們，為我的學習創(chuàng)造了條件；是你們，一如既往的站在我的身后默默的支持著我，沒有你們就不會有我的今天。謝謝你們，我的父親母親！</p><p><b>　　參考文獻</b></p>&

111、lt;p>　　[1] 中國鋰電池網(DB/OL).http：// www．1ibatterv．com．cn/.</p><p>　　[2] 王鴻麟，錢建立，周曉軍.《智能快速充電器設計與制作》[M]，科學出版社，2001.</p><p>　　[3] 郭炳妮、徐徽.《鋰離子電池》[M]，長沙中南大學出版社，2002.</p><p>　　[4] 鐘國華、吳玉廣

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